CFB鍋爐改造工程中DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

張曉彬

（樺林佳通輪胎有限公司，黑龍江 牡丹江 157000）

CFB鍋爐改造工程中DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

張曉彬

（樺林佳通輪胎有限公司，黑龍江 牡丹江 157000）

新修訂的《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13271—2014）已于2014年7月1日開(kāi)始實(shí)施，本標(biāo)準(zhǔn)適用于以燃煤、燃油和燃?xì)鉃槿剂系膯闻_(tái)出力65 t/h及以下的蒸汽鍋爐。本文立足輪胎制造企業(yè)中生產(chǎn)蒸汽的燃煤循環(huán)流化床鍋爐，為滿足新標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)保要求及嚴(yán)重落后、陳舊設(shè)備更新的需要，實(shí)施的75 t/h電站鍋爐更新改造為60 t/h工業(yè)鍋爐的工程項(xiàng)目。簡(jiǎn)要分析了循環(huán)流化床鍋爐及DCS集散控制系統(tǒng)的發(fā)展及特點(diǎn)，著重描述了：原DCS控制系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)形式，鍋爐DCS系統(tǒng)輸入輸出I/O點(diǎn)重新分配設(shè)計(jì)，螺旋式給煤機(jī)改為皮帶稱重式給煤機(jī)的控制設(shè)計(jì)，汽包水位的三沖量控制和改造等。通過(guò)對(duì)原有DCS控制系統(tǒng)部分重新設(shè)計(jì)和改造，很好的實(shí)現(xiàn)了原有DCS控制系統(tǒng)與新?tīng)t體設(shè)備的結(jié)合。

DCS控制系統(tǒng)；循環(huán)流化床鍋爐；設(shè)計(jì)；改造

1　循環(huán)流化床鍋爐及DCS控制系統(tǒng)的發(fā)展與特點(diǎn)

循環(huán)流化床鍋爐（circulating fluidized bed boiler, CFB）燃燒技術(shù)具有燃料適應(yīng)性廣、燃燒效率高、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大、可實(shí)現(xiàn)在燃燒過(guò)程中直接脫硫和NOX排放低等優(yōu)勢(shì)，已成為當(dāng)前煤炭清潔燃燒的首選爐型，在電站鍋爐、工業(yè)鍋爐和廢棄物處理利用等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

DCS控制系統(tǒng)是以微處理器為基礎(chǔ)的對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制的集散控制系統(tǒng)，它的主要特點(diǎn)就是集中管理和分散控制。集散控制系統(tǒng)主要由分散過(guò)程控制裝置、操作管理裝置、通信系統(tǒng)三部分組成。DCS控制系統(tǒng)是1975年首先由美國(guó)霍尼韋爾公司推出的，隨著半導(dǎo)體技術(shù)、顯示技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和軟件技術(shù)等的發(fā)展，集散控制系統(tǒng)使得我國(guó)自動(dòng)化技術(shù)更加智能化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化，目前在我國(guó)循環(huán)流化床鍋爐控制方面應(yīng)用已很廣泛、成熟。

2　DCS系統(tǒng)在循環(huán)硫化床鍋爐控制上的設(shè)計(jì)

目前國(guó)內(nèi)外都有很多DCS廠商，國(guó)內(nèi)主要有浙大中控、北京和利時(shí)、上海新華，國(guó)外有Honeywell、橫河、Siemens等。本文所述原有DCS系統(tǒng)采用不同廠家的優(yōu)秀產(chǎn)品，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)連接，構(gòu)建一個(gè)完整DCS系統(tǒng)，以美國(guó)Honeywell公司的中小型混合控制器HC900-C70R為下位機(jī)、美國(guó)Wonderware公司的過(guò)程可視化組態(tài)軟件InTouch 10.0編寫(xiě)上位人機(jī)界面，控制廠內(nèi)動(dòng)力系統(tǒng)，即三臺(tái)75 t/h循環(huán)硫化床鍋爐。冗余型HC900-C70R 控制器采用冗余的CPU、電源模塊和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。冗余CPU分一主一從，兩個(gè)CPU都可以做主CPU，工作時(shí)主CPU運(yùn)行、從CPU熱備，異常狀況可實(shí)現(xiàn)無(wú)擾切換。冗余的電源和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，CPU獨(dú)立機(jī)架和I/O機(jī)架都采用雙電源模塊和雙以太網(wǎng)接口同時(shí)工作。基于機(jī)架的HC900系列控制器有三種機(jī)架尺寸可供選擇：4、8或12個(gè)I/O槽，能滿足客戶的不同需求。C70R CPU控制器機(jī)架可以使用100base-T 連接，支持單個(gè)遠(yuǎn)程機(jī)架直連，也可使用外部集線器，最多支持5個(gè)遠(yuǎn)程I/O機(jī)架，見(jiàn)表1。

表1　HC900-C70R冗余型 CPU支持能力

本文在原有DCS系統(tǒng)所用的冗余HC900-C70R網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上采用CPU控制器獨(dú)立機(jī)架并通過(guò)以太網(wǎng)連接4個(gè)遠(yuǎn)程I/O 、12槽機(jī)架的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)在循環(huán)硫化床鍋爐控制上的設(shè)計(jì)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　C70R冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

整個(gè)DCS控制系統(tǒng)電源采用兩路獨(dú)立的380V市電同時(shí)供電，通過(guò)電源自投裝置可實(shí)現(xiàn)無(wú)擾切換，而且還配備大容量工業(yè)不間斷電源UPS，以實(shí)現(xiàn)市電全部斷電情況UPS蓄電池反送電保證一定時(shí)間的應(yīng)急操作能力。對(duì)于關(guān)鍵控制回路，如鍋爐主給水、主給水旁路和減溫水的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制，在調(diào)節(jié)閥和DCS控制系統(tǒng)之間串接智能手操器，可實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行情況DCS系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)，DCS控制系統(tǒng)異常情況下，手操器切換為手動(dòng)狀態(tài)控制關(guān)鍵控制回路閥門(mén)應(yīng)急操作。總之，冗余的HC900-C70R網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能很好的保證鍋爐作為關(guān)鍵設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行要求。

下位機(jī)HC900-C70R控制器的組態(tài)采用采用了其配套的Hybrid Control Designer控制設(shè)計(jì)組態(tài)軟件。它是基于過(guò)程數(shù)據(jù)采集、混合模擬量和開(kāi)關(guān)量過(guò)程控制和批量處理、時(shí)序控

制等應(yīng)用要求并采用功能模塊化的組態(tài)工具軟件，且具有診斷至通道級(jí)的自診斷和監(jiān)視功能，組態(tài)軟件形式如下圖2。

上位機(jī)人機(jī)監(jiān)控界面組態(tài)采用wonderware公司的過(guò)程可視化組態(tài)軟件InTouch 10.0編寫(xiě)，改造修改后的組態(tài)畫(huà)面如圖3所示。

圖2　HC Designer 控制設(shè)計(jì)組態(tài)軟件

圖3　CFB鍋爐的組態(tài)畫(huà)面圖

3　CFB鍋爐更新改造工程中DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

3.1DCS控制系統(tǒng)l/O點(diǎn)再設(shè)計(jì)

改造后的新CFB鍋爐設(shè)備要想與原有的DCS控制系統(tǒng)結(jié)合，就需要對(duì)原有的DCS 控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。而重新設(shè)計(jì)和修改，首要的是了解DCS系統(tǒng)I/O點(diǎn)詳細(xì)信息，此過(guò)程可通過(guò)繪制I/O點(diǎn)信息相關(guān)表單完成。

原DCS系統(tǒng)硬件使用如下5種I/O模塊：

（1）900A01模塊：8點(diǎn)的通用模擬量輸入AI模塊，在同一模塊上可混合輸入各種類型的輸入信號(hào)，包括熱電偶TC、熱電阻RTD、歐姆、電壓或毫伏；

（2）900A16模塊：16點(diǎn)高電平模擬輸入AI模塊；

（3）900B01模塊：4點(diǎn)模擬量輸出AO模塊；

（4）900G32（VDC）模塊：32點(diǎn)數(shù)字量輸入DI模塊（VDC）；

（5）900H32（VDC）模塊：32點(diǎn)數(shù)字量輸出DO模塊（VDC）。

據(jù)此可統(tǒng)計(jì)繪制I/O數(shù)量詳單，表單做成如下形式，

表2　I/O數(shù)量單

再根據(jù)I/O數(shù)量詳單的點(diǎn)數(shù)差異和C70R控制器的擴(kuò)展能力，進(jìn)而確定I/O模塊如何擴(kuò)展。在這過(guò)程中還應(yīng)協(xié)同做出新老鍋爐I/O點(diǎn)信息詳單做對(duì)比，分析如熱電阻PT100（RTD）、E型和K型熱電偶（TC）、壓力變送器（4～20 ma）等等的測(cè)點(diǎn)變化，進(jìn)而做模塊通道的重新分配設(shè)計(jì)。但重新設(shè)計(jì)的原則之一就是控制變更。因?yàn)闇p少變更就是減少改造工作量，舉例說(shuō)明如熱電偶、熱電阻模擬量通道就應(yīng)盡量減少變更，首先其模擬量信號(hào)僅能接入900A01通用型AI模塊，其次熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線和熱電阻的三線制電纜有其特殊性，最好是原測(cè)點(diǎn)回路保護(hù)性恢復(fù)使用，最后這種鍋爐一次測(cè)溫點(diǎn)如變更，會(huì)導(dǎo)致后續(xù)鍋爐超溫報(bào)警、燃煤自控等更大量邏輯和組態(tài)修改。 總之，DCS控制系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是I/O點(diǎn)詳細(xì)信息，通過(guò)I/O點(diǎn)信息相關(guān)表單做改造前后對(duì)比來(lái)統(tǒng)籌硬件及軟件的再設(shè)計(jì)。

3.2DCS控制系統(tǒng)在給煤機(jī)設(shè)備控制方面的修改

本鍋爐改造項(xiàng)目中鍋爐給煤機(jī)由螺旋式更新為皮帶稱重式。原螺旋式給煤機(jī)通過(guò)模擬量給定和反饋控制給煤機(jī)變頻器頻率來(lái)控制鍋爐給煤量，控制邏輯簡(jiǎn)單，而皮帶稱重式給煤機(jī)性能更好，且為滿足給煤機(jī)精益控制的需求，因此需將新式皮帶稱重式給煤機(jī)控制重新設(shè)計(jì)。方案如下：①取皮帶給煤機(jī)柜的變頻器頻率模擬給定和瞬時(shí)給煤量模擬反饋信號(hào)做DCS系統(tǒng)模擬回路控制，并做遠(yuǎn)程啟停及運(yùn)行狀態(tài)反饋的DCS系統(tǒng)開(kāi)關(guān)量回路控制。當(dāng)然仍保證現(xiàn)場(chǎng)控制柜的就地操作功能。②邏輯、人機(jī)畫(huà)面組態(tài)，顯示瞬時(shí)給煤量，并制作邏輯程序顯示累計(jì)給煤量（可為給煤計(jì)量及節(jié)煤運(yùn)行等提供依據(jù)）。③組態(tài)報(bào)警邏輯、報(bào)警設(shè)置畫(huà)面和報(bào)警提示畫(huà)面，實(shí)現(xiàn)低于設(shè)定瞬時(shí)給煤量時(shí)彈窗提示報(bào)警，并聯(lián)動(dòng)聲光報(bào)警器，提醒運(yùn)行人員提早關(guān)注低給煤量狀況，并預(yù)防和第一時(shí)間處理堵煤，鍋爐斷煤的危險(xiǎn)情況。從而做到給煤機(jī)精益控制。

3.3鍋爐汽包水位控制分析

汽包水位不僅受汽包中儲(chǔ)水量影響，還受水位下氣泡容積影響。實(shí)踐證明影響最直接指標(biāo)一個(gè)是給水流量，另一個(gè)是蒸汽流量。給水流量增大時(shí)，汽包水位會(huì)隨之增加而上升，隨之減少而下降。 蒸汽流量對(duì)鍋爐水位的影響源于鍋爐負(fù)荷的變化，當(dāng)用蒸汽多時(shí)，水位下降就多；用蒸汽少時(shí)，水位下降就少或者上升。但是蒸汽流量的變化所帶來(lái)的擾動(dòng)具有所謂“虛假水位的現(xiàn)象”。蒸汽流量增大時(shí)，蒸汽流量大于給水量，從鍋爐的物料平衡關(guān)系來(lái)看，水位應(yīng)該下降，但實(shí)際情況卻并非如此。由于蒸汽用量增加導(dǎo)致汽包內(nèi)壓力驟降，水的沸點(diǎn)降低繼而沸騰加劇，水中汽泡的體積迅速擴(kuò)大，結(jié)果水位反而是先上升，然后才會(huì)下降；反之，蒸汽流量減少時(shí)，水位會(huì)先下降后上升。

三沖量水位控制系統(tǒng)，通過(guò)蒸汽流量、給水流量、汽包水位三沖量，調(diào)節(jié)鍋爐給水調(diào)節(jié)閥位置來(lái)控制汽包水位，可以補(bǔ)償“虛假水位”的誤操作，又能對(duì)回路進(jìn)行靜態(tài)補(bǔ)償。以下是一種了解到的三沖量控制思路：經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鍋爐穩(wěn)定燃燒時(shí)，汽包水位處于穩(wěn)定的狀況之下，蒸汽流量和給水流量之間有固定的差值。固定差值即可作為控制的目標(biāo)，即將汽包水位的控制轉(zhuǎn)化為蒸汽流量和給水流量之間差值的控制，不同的水位則對(duì)應(yīng)著不同的差值。此控制方案中采用一個(gè)函數(shù)發(fā)生器來(lái)判斷當(dāng)前水位下給水流量和蒸汽流量間應(yīng)該有的差值，函數(shù)發(fā)生器的輸出作為給定量送入PID回路參與調(diào)節(jié)。函數(shù)發(fā)生器直觀的體現(xiàn)了被控變量的要求，也易于工況改變時(shí)的修改。汽包水位控制方案如圖4所示。

圖4　汽包水位控制框圖

3.4DCS系統(tǒng)的重新組態(tài)過(guò)程中遇到的問(wèn)題

鍋爐監(jiān)測(cè)用的壓力變送器和流量差壓變送器等采用兩線制、回路中串接DC24 V供電的方式與DCS系統(tǒng)的AI通道連接組態(tài)。而在改造中會(huì)遇到因模塊模擬輸入通道重新分配，設(shè)備模擬反饋信號(hào)（如變頻器的頻率反饋）在引入DCS系統(tǒng)模塊組態(tài)時(shí)，被引入到原串接DC24 V配電的AI通道，從而出現(xiàn)錯(cuò)誤組態(tài)失敗情況。此時(shí)，就要考慮是否重新設(shè)計(jì)將這類信號(hào)引入不帶24 V串接通道，或繼續(xù)利用這個(gè)通道但在模塊端摘除24 V跨接使用的方法解決。

4　總結(jié)

在DCS控制系統(tǒng)改造使之與新?tīng)t體設(shè)備結(jié)合過(guò)程中，前期需對(duì)系統(tǒng)硬件、軟件做到充分的掌握，在這個(gè)過(guò)程中可以利用相關(guān)設(shè)備臺(tái)賬、組態(tài)軟件中的I/ O數(shù)據(jù)庫(kù)以及現(xiàn)場(chǎng)考察等方式統(tǒng)計(jì)繪制出I/O點(diǎn)信息詳單，以此為基礎(chǔ)統(tǒng)籌設(shè)計(jì)硬件的擴(kuò)展和設(shè)備的控制。當(dāng)然，對(duì)新鍋爐的一次測(cè)點(diǎn)、輔機(jī)設(shè)備、工藝原理等等信息也應(yīng)很好掌握，這樣才能做好差異分析，統(tǒng)籌硬件設(shè)計(jì)和軟件控制邏輯和人機(jī)畫(huà)面的修改。本文闡述的鍋爐改造項(xiàng)目中就涉及到很多參數(shù)和報(bào)警連鎖等的重新組態(tài)，感覺(jué)下位機(jī)邏輯組態(tài)軟件HC Designer的模塊式邏輯設(shè)計(jì)，和上位機(jī)人機(jī)畫(huà)面組態(tài)軟件InTouch的“標(biāo)記名字典”的變量修改、地址分配等功能，比較優(yōu)異，操作簡(jiǎn)便。這種采用不同廠家優(yōu)秀產(chǎn)品搭接完整DCS系統(tǒng)的方式值得借鑒。

(R-03)

一種臭氧氧化工藝制備氧化聚丙烯的裝置及方法

華南理工大學(xué)開(kāi)發(fā)出一種臭氧氧化工藝制備氧化聚丙烯的裝置及方法。該裝置包括擠出機(jī)、臭氧發(fā)生器和臭氧尾氣處理器；擠出機(jī)的料筒上依次設(shè)置喂料口、臭氧通氣口、尾氣排出口和出料口，臭氧通氣口與臭氧發(fā)生器連接，尾氣排出口與臭氧尾氣處理器連接。將聚丙烯加入到擠出機(jī)中，在170～250℃溫度范圍進(jìn)行擠出，同時(shí)臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的臭氧以濃度1～10 mg/L、流率1～5 L/min從通入擠出機(jī)中與聚丙烯樹(shù)脂進(jìn)行反應(yīng)，未反應(yīng)的臭氧排出至臭氧尾氣處理器中處理，擠出反應(yīng)后完成后的產(chǎn)物經(jīng)擠出造粒，得到氧化聚丙烯。該裝置及方法簡(jiǎn)單，氧化效果好，具有良好的應(yīng)用前景。

北方華錦化學(xué)開(kāi)發(fā)出聚丙烯排放粉料回收再利用系統(tǒng)

北方華錦化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司開(kāi)發(fā)出一種聚丙烯排放粉料回收再利用系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)包括連接火炬系統(tǒng)的火炬排料罐，火炬排料罐下部通過(guò)管路連接料斗，料斗下方通過(guò)帶有旋轉(zhuǎn)下料器的管路連通氮?dú)馑土瞎芫€，氮?dú)馑土瞎芫€一端連通氮?dú)庠矗欢诉B通粉料汽蒸器，粉料汽蒸器用于混合回收的粉料和原料粉料，一起送入聚丙烯加工的下一工序。該系統(tǒng)解決了排放系統(tǒng)內(nèi)粉料人工裝運(yùn)的弊端，粉料在密閉管線內(nèi)通過(guò)氮?dú)怙L(fēng)送系統(tǒng)回收到粉料汽蒸器內(nèi)，而且使低品質(zhì)廢料實(shí)現(xiàn)了回收再利用，成為優(yōu)質(zhì)聚丙烯產(chǎn)品，同時(shí)完全避免了氣體爆炸和粉塵爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，也減少了環(huán)境污染。

大唐國(guó)際化工開(kāi)發(fā)出具有高溫活性抑制作用的聚丙烯催化劑組合物

大唐國(guó)際化工技術(shù)研究院有限公司開(kāi)發(fā)出一種具有高溫活性抑制作用的聚丙烯催化劑組合物，其包含主催化劑、助催化劑和外給電子體組分。所述主催化劑包含含鈦化合物，助催化劑為烷基鋁，外給電子體組分由第一類外給電子體和第二類外給電子體組成，第一類外給電子體包含環(huán)己甲酸仲辛醇酯，第二類外給電子體為烷氧基硅烷化合物。該催化劑組合物能夠有效控制在聚合釜內(nèi)高溫反應(yīng)放熱過(guò)程，確保反應(yīng)平穩(wěn)進(jìn)行。

燕豐 供稿

DCS system design and analysis in CFB boiler renovation project

TK222

1009-797X(2016)14-0045-04

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.14.015

張曉彬（1985-），男，本科，電儀技術(shù)工程師，電子信息科學(xué)技術(shù)專業(yè)。

2016-02-12